测试工程师必备的宝藏知识：如何评估和选择测试仪器？_工程师园地

选择合适的测量仪器，是构建自动化测试系统的重中之重。为工作选择合适的工具知易行难，尤其是需要了解和权衡许多因素时更是如此。本指南介绍了市面上仪器的主要类别，以及常见的选择标准，可帮助您缩小选择范围，从而选出最适合应用的仪器。

Part.1

模拟和射频测试仪器的范围非常广泛，分为数百个产品类别，共计数千种产品型号。而且，这些仪器也受相关物理定律的制约，即体现在放大器技术和制造仪器所需的模数转换器(ADC)上的噪声与带宽的基本原理。由于存在这些基本的物理限制，工程师经常需要在测量精确度和数据采集速度之间进行取舍。下图显示的是随着传统和模块化仪器的技术进步，速度与分辨率之间的关系如何随着时间的推移而变化。

仪器的分辨率与采样率

图中的曲线代表了不同仪器类别的示例。DMM位于图的左上角，能以低速提供高精度，示波器位于图的右下角，能以较低的分辨率进行高频采样，而数据采集（DAQ）产品位于图的左下角，具有更高的通道密度和更低的成本。

当然，如果要确定从哪个类别的仪器开始研究，首先要考虑与测量任务相关的一些问题，例如信号的方向与信号的频率等。因此，小伙伴们可以扫描二维码，下载最新版《仪器选择指南》白皮书查阅更详细的解读内容~

Part.2

除了认识从物理角度进行正确测量所需的模拟前端外，构建测试系统还需要采用稳定、可重复、快速且能连接PC的仪器。因此，合适的总线类型也是评估仪器的重要标准。

如今，USB、PCI Express和以太网/LAN作为仪器控制的有效通信选项而备受关注。部分行业人士称，这些总线中的某一种，其本身就代表了所有仪器需求的解决方案。实际上，未来的测试和测量系统很可能仍然会同时采用多种总线技术，因为每种总线都有独特的优势。接下来，让我们对比一下几种常见总线类型的各自特性。

01 GPIB

IEEE 488总线(通常称为GPIB)是专为仪器控制应用而设计且经过验证的总线。作为一种强大可靠的通信总线，GPIB已经应用了30年，由于具有低延迟和可接受的带宽，至今仍然是仪器控制中最常应用的通信总线。GPIB目前在行业中的应用最为广泛，市场上有10,000多种仪器型号采用GPIB连接。

GPIB的最大带宽约为1.8 MB/s，非常适合用于独立仪器的通信和控制。最新的高速版本HS488将带宽提高至8 MB/s。数据传输基于消息实现，这些消息通常采用ASCII字符的形式。多台GPIB仪器可以通过电缆连接，总距离可长达20 m，并且带宽由总线上的所有仪器共享。虽然带宽相对较低，但GPIB延迟显著低于(优于)USB，尤其低于以太网。GPIB仪器在连接到系统后不会自动检测或自动配置；但是GPIB软件仍是最佳选择之一，而且坚固耐用的电缆和连接器也适用于恶劣的物理环境。无论是实现现有设备自动化的应用，还是需要高度专业化仪器的系统，GPIB都是它们的理想选择。

02 USB

USB近年来已广泛用于连接计算机外设。这种趋势已经扩展到测试和测量领域，越来越多的仪器供应商在仪器中添加了USB设备控制器功能。虽然大多数笔记本电脑、台式机和服务器可能配有多个USB端口，但这些端口通常都连接到同一个主机控制器，因此USB带宽要由所有端口共享。

USB的延迟相对较短(介于延迟最长的以太网和延迟最短的PCI和PCI Express之间)，并且电缆长度最长为5 m。USB设备可自动检测，这意味着与LAN或GPIB等其他技术不同，当用户将USB设备连接至PC时会立即被PC识别和配置。在本文所介绍的所有总线中，USB连接器的可靠性和安全性最低。可能需要使用外部电缆扎带将其固定到位。

USB设备非常适合于需要采用便携式测量、笔记本电脑或台式数据记录以及车载数据采集的应用。USB普遍应用于PC并且具有即插即用的易用性，因此已经成为独立仪器普遍采用的通信总线。USB测试和测量类(USBTMC)产品规范可满足各种测试和测量设备的通信要求。

03 PCI

在本文介绍的所有仪器总线中，PCI和PCI Express的带宽和延迟性能最为出色。PCI带宽为132 MB/s，由总线上的所有设备共享。PCI延迟性能非常出色，以700 ns为基准，而以太网延迟为1 ms。PCI总线基于寄存器进行通信。与本文提到的其他总线不同，PCI不能连接外部仪器。它是一种用于PC插入卡和模块化仪器系统(如PXI)的内部PC总线，因此无法直接测量通信距离。尽管如此，当连接到PXI系统时，使用NI光纤MXI接口，PCI总线可以延长至200 m。因为PCI连接位于计算机内部，我们可以认为，连接器的可靠性受其所在PC的稳定性和耐用性限制。

PXI模块化仪器系统基于PCI信号构建，通过高性能背板连接器和多个螺栓端子增强了连接性，保持连接到位。在插入PCI或PXI模块后启动，Windows就会自动检测并安装模块的驱动程序。通常，PCI仪器的成本较低，因为它们依赖于托管它们的PC的电源、处理器、显示器和存储器运行，而不是将以上硬件并入仪器本身中。

04 PCI Express

PCI Express和PCI类似，是PCI标准的最新版本。因此，前文对PCI的大部分评价也适用于PCI Express。

PCI和PCI Express性能的主要区别在于PCI Express具有更高的带宽，并为每个设备提供专用带宽。在本指南涵盖的所有总线中，只有PCI Express为总线上的每个外设提供专用带宽。而对于GPIB、USB和LAN，带宽均由所连接的外设共享。数据通过点对点连接传输，这些连接称为通道，第1代链路每个方向的传输速率为250 MB/s。每个PCI Express链路可以由多个通道组成，因此PCI Express总线的带宽取决于其在插槽和设备中的实现方式。x1链路(单个通道)、x4链路和x16链路分别提供250 MB/s、1 GB/s和4 GB/s的专用带宽。

PCI Express实现了软件向后兼容性，意味着迁移到PCI Express标准的用户可以保留其采用PCI时进行的软件投资。PCI Express也可通过外部电缆进行扩展。高速的内部PC总线专为快速通信而设计。因此，PCI Express是需要高带宽的高性能数据密集型系统的不二之选，也是集成和同步多种类型仪器的理想选择。